The Helium and Carbon Isotope Characteristics of the Andean Convergent Margin

Abstract

Subduction zones represent the interface between Earth’s interior (crust and mantle) and exterior (atmosphere and oceans), where carbon and other volatile elements are actively cycled between Earth reservoirs by plate tectonics. Helium is a sensitive tracer of volatile sources and can be used to deconvolute mantle and crustal sources in arcs; however it is not thought to be recycled into the mantle by subduction processes. In contrast, carbon is readily recycled, mostly in the form of carbon-rich sediments, and can thus be used to understand volatile delivery via subduction. Further, carbon is chemically-reactive and isotope fractionation can be used to determine the main processes controlling volatile movements within arc systems. Here, we report helium isotope and abundance data for 42 deeply-sourced fluid and gas samples from the Central Volcanic Zone (CVZ) and Southern Volcanic Zone (SVZ) of the Andean Convergent Margin (ACM). Data are used to assess the influence of subduction parameters (e.g., crustal thickness, subduction inputs, and convergence rate) on the composition of volatiles in surface volcanic fluid and gas emissions. He isotopes from the CVZ backarc range from 0.1 to 2.6 RA (n = 23), with the highest values in the Puna and the lowest in the Sub Andean foreland fold-and-thrust belt. Atmosphere-corrected He isotopes from the SVZ range from 0.7 to 5.0 RA (n = 19). Taken together, these data reveal a clear southeastward increase in 3 He/4 He, with the highest values (in the SVZ) falling below the nominal range associated with pure upper mantle helium (8 ± 1 RA), approaching the mean He isotope value for arc gases of (5.4 ± 1.9 RA). Notably, the lowest values are found in the CVZ, suggesting more significant crustal inputs (i.e., assimilation of 4 He) to the helium budget.

Las zonas de subducción representan la interfaz entre el interior (corteza y manto) y el exterior (atmósfera y océanos) de la Tierra, donde el carbono y otros elementos volátiles se reciclan activamente entre los reservorios terrestres mediante la tectónica de placas. El helio es un trazador sensible de fuentes volátiles y puede utilizarse para deconvolucionar fuentes del manto y la corteza en arcos; sin embargo, no se cree que se recicle en el manto mediante procesos de subducción. En cambio, el carbono se recicla fácilmente, principalmente en forma de sedimentos ricos en carbono, y por lo tanto puede utilizarse para comprender la liberación de volátiles por subducción. Además, el carbono es químicamente reactivo y el fraccionamiento isotópico puede utilizarse para determinar los principales procesos que controlan los movimientos de volátiles dentro de los sistemas de arcos. En este trabajo, presentamos datos de isótopos y abundancia de helio para 42 muestras de fluidos y gases de fuentes profundas de la Zona Volcánica Central (ZVC) y la Zona Volcánica Sur (ZVS) del Margen Convergente Andino (MCA). Los datos se utilizan para evaluar la influencia de los parámetros de subducción (p. ej., espesor de la corteza, entradas de subducción y tasa de convergencia) en la composición de volátiles en las emisiones de fluidos y gases volcánicos superficiales. Los isótopos de He del retroarco de la Zona Volcánica de Crecimiento (ZVC) varían de 0,1 a 2,6 RA (n = 23), con los valores más altos en la Puna y los más bajos en la faja plegada y corrida del antepaís subandino. Los isótopos de He corregidos por la atmósfera de la Zona Volcánica de Sur (ZVS) varían de 0,7 a 5,0 RA (n = 19). En conjunto, estos datos revelan un claro aumento hacia el sureste de 3 He/4 He, con los valores más altos (en la ZVS) por debajo del rango nominal asociado con el helio puro del manto superior (8 ± 1 RA), acercándose al valor medio del isótopo de He para los gases del arco de (5,4 ± 1,9 RA). Cabe destacar que los valores más bajos se encuentran en la CVZ, lo que sugiere aportes corticales más significativos (es decir, asimilación de 4 He) al balance de helio.